Ново проучване установи, че еволюцията не е толкова непредсказуема, колкото се смяташе преди, което би могло да позволи на учените да изследват кои гени могат да бъдат полезни за справяне с проблеми в реалния свят като резистентност към антибиотици, болести и изменение на климата.

Проучването, което е публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), оспорва дългогодишната представа за непредсказуемостта на еволюцията и открива, че еволюционният път на генома може силно да бъде повлиян от неговата еволюционна история, а не толкова да се определя от множество фактори и исторически инциденти.

"Последствията от това изследване са несъмнено революционни", заявява водещият автор на изследването професор Джеймс Макинърни (James McInerney) от Университета в Нотингам. "Като демонстрирахме, че еволюцията не е толкова произволна, колкото някога си мислехме, ние отворихме вратата към набор от възможности в синтетичната биология, медицина и наука за околната среда."

Екипът извършва анализ на пангенома – пълния набор от гени в рамките на даден вид, за да отговори на важния въпрос дали еволюцията е предвидима или дали еволюционните пътища на геномите зависят от тяхната история и следователно не са предвидими днес.

Използвайки подход за машинно обучение, наречен Random Forest, заедно с набор от данни от 2500 пълни генома от един бактериален вид, екипът извършва няколкостотин хиляди часа компютърна обработка, за да отговори на въпроса.

Подавайки данните в своя високопроизводителен компютър, екипът първо създава "генни семейства" от всеки ген на всеки геном.

"По този начин имаме възможност да сравним подобни с подобни в геномите", обяснява д-р Мария Роза Доминго-Сананес (Maria Rosa Domingo-Sananes) от Университета Нотингам Трент.

След като идентифицира семействата, екипът анализира модела на това как тези семейства присъстват в някои геноми и отсъстват в други.

"Открихме, че някои генни семейства никога не са се появявали в геном когато определено друго генно семейство вече е било там, а в други случаи някои гени са били много зависими от различно генно семейство присъства."

На практика изследователите откриват невидима екосистема, в която гените могат да си сътрудничат или да са в конфликт един с друг.

"Тези взаимодействия между гените правят аспектите на еволюцията донякъде предсказуеми и освен това сега имаме инструмент, който ни позволява да правим тези прогнози," добавя д-р Доминго-Сананес.

"От тази работа можем да започнем да изследваме кои гени 'поддържат' ген за антибиотична резистентност, например. Следователно, ако се опитваме да елиминираме резистентността към антибиотици, можем да се насочим не само към фокалния ген, но можем да се насочим и към поддържащите го гени", коментира д-р Алън Биван (Alan Beavan) от Университета в Нотингам.

"Можем да използваме този подход, за да синтезираме нови видове генетични конструкции, които могат да се използват за разработване на нови лекарства или ваксини. Познаването на това, което знаем сега, отвори вратата към куп други открития."

Последиците от изследването са широкообхватни и могат да доведат до:

1. Нов дизайн на генома - позволяващ на учените да проектират синтетични геноми и предоставяне на пътна карта за предсказуема манипулация на генетичния материал.
2. Борба с антибиотичната резистентност – разбирането на зависимостите между гените може да помогне за идентифицирането на 'поддържащата група' на гени, които създават резистентността към антибиотици възможна, проправяйки пътя за целенасочени лечения.
3. Смекчаване на изменението на климата – Прозренията от проучването биха могли да дадат информация за дизайна на микроорганизми, проектирани да улавят въглерод или да разграждат замърсители, като по този начин допринасят за усилията за борба с изменението на климата.
4. Медицински приложения – Предсказуемостта на генните взаимодействия може да революционизира персонализираната медицина чрез предоставяне на нови показатели за риска от заболяване и ефикасността на лечението.

Справка: Alan Beavan et al, Contingency, repeatability, and predictability in the evolution of a prokaryotic pangenome, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2304934120

Източник: Evolution is not as random as previously thought, finds new study, University of Nottingham

Още по темата

21/12/2023

Технологии

Тронът на играта: Проследяване на еволюцията на игралните столове

22/12/2023

Човекът

Нов анализ на фосили пренаписва хронологията на човешката еволюция

08/12/2023

Животът

Математически модел свързва еволюцията на пилетата, рибите и жабите

23/11/2023

Космос

Вампирските звезди хвърлят нова светлина върху еволюцията на звездите